Chimica farmaceutica - materiali polimerici

Materiali polimerici

G. Carotenuto
Istituto per la Tecnologia dei Materiali Compositi. Consiglio Nazionale delle Ricerche. Piazzale Tecchio, 80 - 80125 - Napoli

Definizioni fondamentali della chimica macromolecolare

Le macromolecole o polimeri sono composti organici di sintesi caratterizzati dal possedere un'elevata massa molecolare, per la quale vengono, più appropriatamente, denominati alti polimeri; esse si presentano costituzionalmente realizzate dalla ripetizione periodica di una unità strutturale, di varia complessità, ordinariamente definita unità ripetente. Il termine polimero deriva dalle parole greche: poli=molto e mera=parte in modo da indicare appunto una sostanza strutturalmente composta da molte unità fondamentali ripetute identicamente nella molecola. Va osservato che la parola polimero viene tuttavia frequentemente utilizzata in chimica, non soltanto per indicare i materiali plastici, ma anche in riferimento a composti inorganici oligomerici, molecole organiche naturali (polisaccaridi, silani, polisolfuri), sostanze di origine biologica (polinucleotidi, polipeptidi), ed altro. La molecola a partire dalla quale il polimero viene preparato e da cui l'unità ripetente risulta derivata, viene chiamata monomero o unità monomerica, mentre polimerizzazione è la reazione chimica che porta alla sua costituzione.

È di solito necessario, come regola pratica, avere approssimativamente la ripetizione di almeno un migliaio di unità prima di poter ottenere un polimero con le caratteristiche proprietà plastiche di una resina sintetica. Un caso estremo è rappresentato dal polimero dell'etilene a cui necessita raggiungere un peso molecolare di almeno un milione prima di poter cominciare a mostrare le proprietà fisiche che noi gli conosciamo, quando lo utilizziamo in forma di bottiglie, contenitori ed altro; all'altro estremo c'è, invece, il nylon, un prodotto tessile di largo utilizzo, le cui caratteristiche proprietà fisiche si evidenziano già con un peso molecolare di appena 50.000 u.m.a. Ciò è dovuto ovviamente all'entità delle interazioni di non legame che si instaurano tra le macromolecole, che, nel primo caso, risultano molto deboli, poiché consistenti esclusivamente in labili forze di van der Waals, mentre nel secondo caso sono di notevole intensità in quanto legami a ponte d'idrogeno.

Una molecola organica per poter portare alla formazione di un polimero deve possedere almeno due siti reattivi, il suo numero ne definisce la funzionalità; gli amminoacidi, gli idrossiacidi ed anche i monomeri vinilici, che, per rottura del legame, sono in grado di costituire due legami sono, ad esempio, monomeri bifunzionali, ma sono altrettanto utilizzate unità monomeriche polifunzionali. Quando la polimerizzazione non avviene con eliminazione di molecole piccole l'unità monomerica si identifica esattamente con l'unità ripetente, altrimenti le loro formule differiscono per soli pochi atomi.

Il numero di unità ripetenti per macromolecola viene indicato come grado di polimerizzazione. La massa molecolare del polimero è ottenibile dal prodotto del peso dell'unità ripetente per il grado di polimerizzazione. Le reazioni per la sintesi dei polimeri non consentono in genere di ottenere macromolecole identiche, cioè aventi tutte il medesimo grado di polimerizzazione, ma risultano recuperabili a fine sintesi solo miscele di molecole variamente dimensionate. Il materiale polimerico così costituito è detto polidisperso, mentre la porzione di macromolecole con simili dimensioni ricavabile da un campione polidisperso, a mezzo di opportune tecniche di frazionamento, è definita polimero omodisperso.

A seconda del tipo di polimerizzazione le macromolecole prodotte possono risultare lineari se il loro sviluppo avviene in una unica direzione o reticolate se risultano strutturalmente tridimensionali, tale reticolo tridimensionale è noto come network mentre crosslink vengono detti i legami trasversali in esso intercorrenti. Un polimero lineare se opportunamente funzionalizzato lungo la catena può, mediante reazioni chimiche, essere convertito in un network tridimensionale. Ne è un esempio, di rilevante importanza, il processo di vulcanizzazione della gomma in cui è coinvolta la formazione di legami incrociati fra catene polimeriche insature per addizione radicalica di zolfo elementare ai doppi legami carbonio-carbonio. La natura delle unità strutturali disposte all'estremità della catena polimerica differisce significativamente da quella dell'unità ripetente in quanto esse o contengono funzionali irreagiti o sono derivanti da unità monofunzionali occasionalmente presenti o volutamente aggiunte durante la reazione e vengono pertanto chiamati terminali di catena.

Le macromolecole costituite da unità strutturali tutte uguali sono indicate come omopolimeri, esse sono generalmente ottenute per polimerizzazione di un unico monomero. Quando invece due o più unità strutturali differenti sono presenti nella macromolecole per incorporamento di diversi monomeri si ricorre ai termini copolimero, terpolimero, ecc.; mentre copolimerizzazione, terpolimerizzazione, ecc. sono le rispettive reazioni di sintesi.

Esempi di copolimeri

Illustriamo le diverse possibili situazioni strutturali che risultano praticamente realizzabili, nel caso semplice dei copolimeri cioè, i prodotti della contemporanea polimerizzazione di due soli monomeri differenti. Quando i due monomeri entrano in catena in maniera più o meno casuale si parla di copolimero statistico, se invece le due unità monomeriche si alternano regolarmente lungo la catena polimerica si ottiene un copolimero alternato, se poi lunghe sequenze di uno dei due monomeri (dette blocchi) sono unite a quelle dell'altro monomero ciò che ne risulta è un copolimero a blocchi e infine se su una catena principale formata da una determinata unità ripetitiva si innestano catene laterali (ramificazioni) costituite dal solo altro monomero, si ottiene un copolimero ad innesto o aggraffato. I copolimeri spesso presentano proprietà intermedie tra quelle dei polimeri delle singole unità monomeriche utilizzate.

Le percentuali dei due monomeri nella catena del copolimero possono dipendere da parecchi fattori; le concentrazioni iniziali dei due monomeri, la capacità reattiva di un monomero rispetto all'altro, la temperatura e la natura del mezzo solvente, costituiscono i parametri più determinanti.

Potendo la struttura dei polimeri risultare sia lineare che tridimensionalmente reticolata le macromolecole presenteranno differenti caratteristiche chimico-fisiche; i primi vengono indicati con il nome di termoplastici in quanto per azione del calore o di plastificanti o, anche, di solventi è possibile allontanare tra loro le singole catene lineari disgiunte fino a farle rispettivamente fondere, rammollire o disciogliere; i polimeri reticolati formano invece le resine termoindurenti così chiamate in quanto una volta assunta la configurazione tridimensionale non sono più plastificabili dal calore e non possono più essere portate in soluzione mediante liquidi solventi o plastificanti. In altre parole un materiale termoplastico può essere rifuso molte volte senza modificazione alcuna della sua natura, mentre un materiale termoindurente o termostabile sottostà ad una modificazione permanente (cioè una trasformazione chimica) se viene portato a fusione e quindi, solidificando, porta ad un rigido e fragile reticolo tridimensionale che non può più tornare a fondere.

L'ampissima varietà di reazioni disponibili per la preparazione degli alti polimeri possono essere ricondotte a due classi principali: la policondensazione e la poliaddizione.

I polimeri di addizione sono quelle macromolecole nelle quali la formula chimica dell'unità ripetente è identica a quella del monomero utilizzato, ad esempio: il polipropilene (C₃H₆)_n, materiale di ampio impiego, è un polimero di addizione ottenuto a partire dal propilene, olefina di formula C₃H₆. I polimeri di condensazione sono composti in cui la formula chimica dell'unità ripetente contiene un numero di atomi inferiore a quello del monomero, o dei monomeri di partenza. La classificazione dei prodotti di polimerizzazione in polimeri di poliaddizione e polimeri di policondensazione fu proposta da Carothers nel 1926. Una classificazione più recente è fondata invece sul meccanismo di crescita delle macromolecole e distingue i processi di polimerizzazione in polimerizzazione a catena ed in polimerizzazione a stadi.

Le polimerizzazioni a catena si svolgono con un meccanismo del tutto simile alle reazioni a catena tipiche delle sostanze a basso peso molecolare, con l'unica peculiarità che la catena cinetica è in questo caso costituita dalla molecola del polimero che si sta formando. Si tratta in genere di reazioni veloci che procedono attraverso la formazione di un centro attivo su cui avvengono le successive addizioni ripetute di monomero nel corso della fase di propagazione della catena. Le polimerizzazioni a stadi sono invece processi nei quali sono coinvolti in genere monomeri opportunamente funzionalizzati che reagiscono dando luogo a prodotti di peso molecolare crescente, che possedendo i medesimi gruppi funzionali presenti sulle molecole di monomero di partenza, nel decorso della reazione possono determinare con uguale probabilità sia interazioni monomero-monomero che interazioni monomero-polimero. Questa classificazione consente di raggruppare opportunamente tutte le reazioni di polimerizzazione conosciute e di meglio classificarne i rispettivi prodotti.

Le caratteristiche fisiche del materiale ottenuto da una reazione di polimerizzazione sono strettamente correlate al tipo di interazione chimica di non legame che si instaura tra le singole macromolecole. Questa, a parte dalla specifica natura dell'interazione, dipende strettamente dal grado di regolarità configurazionale e conformazionale delle catene polimeriche. Ciò in quanto soltanto una elevata regolarità di struttura consente l'impacchettamento compatto delle catene polimeriche interagenti con la possibilità d'instaurare forti interazioni di non legame. I polimeri di sintesi possono essere dalla struttura o totalmente irregolare o in buona parte regolare.

I polimeri strutturalmente irregolari non hanno la possibilità di cristallizzare e pertanto rimangono allo stato amorfo anche portandoli alle basse temperature. La mobilità delle catene polimeriche può tuttavia variare significativamente con la temperatura. In tali polimeri si osserva la presenza di una temperatura caratteristica nota come temperatura di transizione vetrosa ed indicata con il simbolo T_g. Questa è assimilabile ad una transizione del secondo ordine accompagnata tuttavia non da una variazione del volume specifico ma solo da una variazione della derivata del volume specifico rispetto alla temperatura ovvero dalla variazione della pendenza della curva volume specifico v.s. temperatura. Sopra tale temperatura è possibile lo scorrimento delle macromolecole e pertanto il polimero si presenta morbido e flessibile e mostra il fenomeno della risposta elastica ritardata, nota come viscoelasticità, sotto invece il polimero si presenta duro, rigido ed estremamente fragile. Più la temperatura viene elevata al di sopra della T_g più lo scorrimento che ne risulta è facilitato fino al punto di avere un materiale praticamente liquido.

Se il polimero presenta regolarità nella struttura, abbassando la temperatura dal fuso i movimenti delle macromolecole, che sono, nel fuso, particolarmente ampi per la loro elevata energia cinetica, divengono sempre più limitati, finché, al di sotto di una certa temperatura si può verificare la cristallizzazione. La cristallizzazione dei polimeri è un fenomeno complesso ed il materiale non diviene mai completamente cristallino come si verifica invece con i solidi ordinari. La parte cristallina è costituita da domini discontinui di differenti dimensioni e grado di purezza dette cristalliti. Per la differente energia libera delle cristalliti che deriva dalla diversa estensione superficiale (e quindi energia libera superficiale) il passaggio dallo stato cristallino allo stato fuso non avviene mai ad una temperatura netta, ma piuttosto in un intervallo più o meno ampio di temperature. Sotto la temperatura di fusione un polimero anche soltanto parzialmente cristallino si presenta duro, rigido e molto fragile. Lo sviluppo di un particolare metodo di polimerizzazione: la poliinserzione, ha consentito la preparazione per sintesi di macromolecole con un elevato grado di regolarità strutturale che consente loro di cristallizzare abbondantemente in modo da ottenere materiali plastici altamente cristallini e quindi dalle proprietà meccaniche particolarmente interessanti.

Policondensazione

Per la realizzazione di alti polimeri è evidentemente necessario legare insieme, mediante apposite reazioni chimiche, in grado di determinare la formazione di stabili legami covalenti, un gran numero di molecole organiche ed affinché ciò risulti possibile occorre che le molecole che partecipano alla reazione siano munite di almeno due posizioni reattive. Se facciamo difatti reagire l'alcool metilico con l'acido acetico (entrambe molecole con una unica posizione reattiva), o anche l'alcool metilico (una funzione reattiva) con l'acido adipico (due funzioni reattive), in presenza di un catalizzatore acido, otteniamo dei prodotti di condensazione (noti come esteri) semplici ed incapaci di reagire ulteriormente tra loro; la reazione è di equilibrio ed è nota come esterificazione di Fischer:

→ CH₃-OH + CH₃COOH ←→ CH₃COOCH₃ + H₂O

→ 2 CH₃-OH + HOOC-CH₂-COOH ←→ CH₃OOC- CH₂-COOCH₃ + 2 H₂O

Se però anche l'alcool contiene due funzioni reattive (si tratta cioè di un glicole) è possibile ottenere la costituzione di un polimero lineare in quanto l'estere, una volta prodotto, è ancora in grado di reagire con un'altra molecola di acido e poi, di nuovo, con altro glicole e così via di seguito, in modo da realizzare oligomeri di dimensioni via via crescenti, secondo lo schema seguente:

A + G → AG → AGA → GAGA

(ove si è indicato con G il glicole e con A l'acido dicarbossilico) e ciò si ripete un grandissimo numero di volte, venendosi così via via a costituire un alto polimero, e, in questo particolare caso, un poliestere lineare.

...... GAGAGAGAGAGA ......

Quindi ogni qual volta che un monomero bifunzionale reagisce chimicamente con un altro altrettanto funzionalizzato sarà possibile generare una serie infinita di reazioni elementari che danno luogo ad oligomeri con massa molecolare crescente, contenenti ancora le funzionalità necessarie per il proseguimento della reazione, purché venga rigorosamente rispettato il rapporto stechiometrico tra i funzionali dei due reagenti.

Se si pensa all'elevato numero di reazioni organiche che, permettendo la formazione di stabili legami covalenti, ben si prestano alla preparazione di macromolecole ed alla varietà di composti chimici che, per ciascuno degli schemi sintetici utilizzabili, possono essere fatte reagire, si può capire di quale ampiezza sia la gamma delle materie plastiche sintetiche ottenibili per lo meno in laboratorio.

Se il monomero contiene entrambi i tipi di gruppi funzionali reattivi, le macromolecole risultanti conterranno una sola unità strutturale. Ad esempio la condensazione intermolecolare dell'acido lattico genererà una catena polimerica lineare, in cui è la sola unità strutturale esterea a ripetersi periodicamente lungo la macromolecola. Analoga situazione si avrà nella policondensazione di un amminoacido.

Esempi di polimeri di condensazione

Nella tabella seguente vengono riportati solo alcuni dei principali tipi di polimeri ottenibili per polimerizzazione a stadi, con indicazione del tipo di monomero polimerizzabile e dell'unità ripetente che ne consegue.

Le reazioni di polimerizzazione possono venire raggruppate in tre classi:

• Reazioni concernenti il gruppo carbonilico, da cui si originano: i poliesteri, le poliammidi, i poliuretani, le poliuree, la resina fenolo-formaldeide, ecc.
• Reazioni di sostituzione nucleofila, da cui si originano: i polieteri, i polisolfuri, i polisolfoni, ecc.
• Reazioni di sostituzione elettrofila, da cui si originano: i polibenzili, le resine fenolo-formaldeide, ecc.

La condensazione intermolecolare di monomeri bifunzionali porta alla formazione di polimeri lineari; la bifunzionalità costituisce pertanto un requisito indispensabile e la presenza occasionale di impurezze monofunzionali (per lo più sottoprodotti della sintesi del monomero) può determinare molto presto l'arresto della crescita delle catene polimeriche. Purtroppo la presenza di impurezze monofunzionali non costituisce l'unico inconveniente della reazione di polimerizzazione a stadi in quanto un problema ulteriore è rappresentato dalla formazione di composti ciclici che consegue alla condens...